[发明专利]一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法

说明书

一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法，属于光纤传感和气体检测技术领域。该仪器包括激光光源、光缆、光纤听漏探头、宽谱光源、光纤耦合器、锯齿信号发生器、加法器、正弦信号发生器、锁相环、光谱仪和工控机。光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，直接探测气体泄漏产生的声波信号，并能结合主动降噪技术大幅减小环境噪声和振动对光声信号测量的影响，同时实现对气体浓度的高灵敏度和高可靠性测量，即光纤听漏探头具备“光耳”和“光鼻”两种功能。本发明通过设计两个具有不同腔长的光纤非本征法布里‑珀罗干涉仪，采用一个光谱仪即可对两个悬臂梁声波传感器进行同时无干扰解调，简化了系统结构。本发明方案具有远程探测和本质安全的优点。

技术领域

本发明属于光纤传感和气体检测技术领域，涉及一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法。

背景技术

气体泄漏监测对于保障气站、输气管道和化工厂的安全可靠运行发挥了重要作用，这是由于易燃易爆或有毒气体的泄漏可能导致安全重大事故。

目前，可通过看、听和闻的方法进行气体泄漏检测。采用红外热像仪可“看”到泄漏，但这种被动式成像方法易受环境温度变化的影响。也可采用“听”的方法，比如文献WangX,Zhen S,Li X,et al.Non-contact gas leakage detection of tank based on low-coherence optical fiber interferometer[C]//International Conference onOptical and Photonics Engineering(icOPEN 2016).International Society forOptics and Photonics,2017,10250:102501E报道了一种基于光纤声波传感器的气体听漏传感器，通过对探测的声波信号中特征频率进行分析后，对气体泄漏情况进行初步判断，但这种传感器不能对泄漏气体浓度进行定量测量且难以探测到微小泄漏。还可采用“闻”的方法，电化学、多壁碳纳米管、红外吸收光谱和激光光谱等气体传感器通过测量气体的浓度对泄漏气体进行监测，其中，激光光谱传感器具有选择性好，灵敏度高和可远程监测等优点，是最具发展前景的气体检测传感器之一。因为红外光谱区域是部分气体分子的特征吸收光谱带，所以可以通过使用相应的激光光源来测量这些气体的浓度。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和激光光声光谱即是利用该原理进行气体检测的最常见方法。由于激光具有窄线宽的特性，因此可以大幅减小由气体分子吸收光谱之间的重叠引起的交叉干扰。文献Wainner R T,Green B D,Allen M G,et al.Handheld,battery-powered near-IRTDLsensor for stand-off detection of gas and vapor plumes[J].Applied Physics B,2002报道了基于TDLAS的开路型气体检测仪，并已经用于开放路径环境中的气体泄漏。但是，这种检测仪的探测距离通常小于50米。文献Schoonbaert S B,Tyner D R,Johnson MR.Remote ambient methane monitoring using fiber-optically coupled opticalsensors[J].Applied Physics B,2015,119(1):133-142报道的基于TDLAS的光纤气体传感器具有低传输损耗和本质安全的优点，利用该方法设计的小型化光纤探头可用于远程气体泄漏监测。但是由于气体检测灵敏度通常与吸收路径的长度成正比，这种传感器的最小检测极限被限制在大约几十ppm。激光光声光谱具有灵敏度高，响应速度快，采样体积小的优点。文献Cao Y,Jin W,Ho H L,et al.Miniature fiber-tip photoacousticspectrometer for trace gas detection[J].Optics letters,2013,38(4):434-436、文献Gruca G,Heeck K,Rector J,et al.Demonstration of a miniature all-opticalphotoacoustic spectrometer based on ferrule-top technology[J].Optics letters,2013,38(10):1672-1674和文献Zhou S,Slaman M,Iannuzzi D.Demonstration of ahighly sensitive photoacoustic spectrometer based on a miniaturized all-optical detecting sensor[J].Optics express,2017,25(15):17541-17548先后报道了基于激光光声光谱的小型化全光学微量气体传感器，采用光纤声波传感器对产生的光声信号进行读取。由于激发光和探测光均由光纤传输，所设计的气体传感系统具有可远程测量和本质安全的优点，可用于气体泄漏监测。但是这种基于激光光声光谱的气体泄漏检测仪中用于探测光声信号的声波传感器同时对气体泄漏声音、环境噪音和振动敏感，引起较大浓度测量误差，进而造成误报警，因此难以在现场开展应用。因而，设计一种可同时测量气体泄漏声音、并能对泄漏气体浓度进行高精度定量测量的光纤遥测式多功能气体听漏仪具有重要的应用价值。